前 言

ANSYS是國內非常流行的有限元分析商業軟件包，可以進行結構分析、熱分析、流體分析、電磁場分析和多物理場分析，是惟一真正實現多場耦合的CAE軟件。雖然ANSYS國內用戶已達1600余家，但許多用戶還處于初級使用階段，沒有發揮出ANSYS的強大功能，特別是在電磁場應用方面更是如此。這往往不是用戶對ANSYS的熟練使用問題，而是由于用戶沒有深厚的電磁場理論功底所造成的結果。作者長期從事電磁場理論及其數值計算方法的研究，長期使用ANSYS開發工程項目，在ANSYS的理解與應用方面積累了一定的經驗，深知只有對電磁場理論深入理解和熟練掌握ANSYS，才能達到游刃有余、走向自由王國的境界。

目前國內介紹ANSYS應用方面的書不少，但全面介紹電磁場分析方面的書是個空白，作者總結多年使用ANSYS的成功經驗，把ANSYS在電磁場應用方面的資料編著成書，并經過作者的加工與解釋，以便更符合漢語的習慣，也能使讀者更容易理解，因此，可以說本書是利用ANSYS開發電磁場工程項目的心得體會與成果總結，以給從事電磁場計算方面的科技人員提供一個參考。

本書以ANSYS的最新版ANSYS 10.0為基礎，對ANSYS的電磁場有限元分析進行全面介紹。內容包括：ANSYS電磁場分析概述，ANSYS電磁場理論基礎，ANSYS電磁場基本分析過程，ANSYS建模方法，ANSYS二維電磁場分析，ANSYS三維靜態磁場分析——標量法，ANSYS三維靜態、諧波和瞬態磁場分析——矢量法，ANSYS三維靜態、諧波和瞬態磁場分析——棱邊單元法，ANSYS高頻電磁場分析，ANSYS電流場分析，ANSYS靜電場分析，ANSYS電路分析，ANSYS耦合場分析，ANSYS磁宏和遠場單元。本書既包含ANSYS的電磁場基本理論、基本操作過程和使用方法，也有大量的工程應用實例。

本書試圖既滿足初學者的學習需要，又滿足高級工程開發人員的要求，但如何在兩者之間權衡，頗費思索，因此在內容安排方面，篇幅比較大，內容比較全面，幾乎覆蓋了電磁場方面的所有內容。本書例題較多，以供從事不同專業方向的讀者取舍。讀者只有在掌握ANSYS的基本操作后，完成大量的練習，才能理解ANSYS的真諦。由于時間和篇幅所限，還有不少好的例題沒有列入本書，特別是耦合場和高頻方面的例子比較少，這留待以后修訂時補充進去。

對初學者來說，應該按照第3章中的例子反復練習，慢慢理解ANSYS的內涵，然后再閱讀后面的內容，獨立完成其他各章中的例子。對于已經有ANSYS基礎的工程開發人員來說，主要是要理解各種方法的含義、適用范圍、邊界條件和加載方面的異同，多計算一些例子，并與理論值或實測值進行比較，確保使用無誤后，再針對工程項目進行開發。另外，不要忽視理論基礎知識，在每做完一個例題后，要在第2章找到所使用的理論知識，細心體味所使用的方法、理論結果和ANSYS操作方法，這會帶來意想不到的收獲。總之，必須在ANSYS上下大功夫，做大量的練習，細細品味ANSYS的魅力，才能避免因ANSYS使用不當而造成的錯誤。

在本書的編寫過程中，得到了北京航空航天大學蘇東林教授的關心和支持，得到了王向暉博士、劉焱博士、王冰切博士、翟禹博士、韓軼峰碩士、張蘭蘭碩士、付路碩士的協助，同時也得到了安世亞太公司北方區技術經理蔡鵬先生、EMBU產品經理賈云峰博士的支持，在此向他們表示感謝。

由于編著者水平有限，加之時間緊迫，錯誤與缺點在所難免，歡迎讀者批評指正，同時也歡迎與作者進行合作研究，聯系地址：yanzhaowen@buaa.edu.cn。

閻照文

于北京航空航天大學

2006年8月

目 錄
前言
第1章 ANSYS電磁場分析概述 1
1.1 ANSYS概述 1
1.2 電磁場分析對象 1
1.3 ANSYS怎樣分析磁場 2
1.4 穩態、諧波和瞬態磁場分析 7
1.5 關于棱邊單元、標量位、矢量位方法的比較 7
1.5.1 2-D和3-D磁場分析 8
1.5.2 磁標量位方法 8
1.5.3 矢量位分析方法 8
1.5.4 棱邊單元方法 8
1.5.5 棱邊單元法與矢量位方法的比較 8
1.5.6 靜態分析 9
1.6 電磁場單元概述 10
第2章 ANSYS分析理論基礎 12
2.1 電磁場理論基礎 12
2.1.1 標量磁位法 14
2.1.2 求解方法 14
2.1.3 矢量磁位法 16
2.1.4 棱邊通量自由度 17
2.1.5 節點矢量位法的限制 17
2.1.6 用復數形式表示的諧波分析 18
2.1.7 非線性時間—諧波磁場分析 19
2.1.8 電標量位法 20
2.2 場量值的計算 21
2.2.1 標量磁位結果 21
2.2.2 矢量磁位結果 22
2.2.3 磁力 22
2.2.4 磁分析中的焦耳熱 24
2.2.5 電標量位結果 25
2.2.6 靜電力 26
2.3 電壓激勵磁場分析和電路激勵磁場分析 26
2.3.1 電壓激勵磁場問題 26
2.3.2 電路激勵磁場問題 27
2.4 高頻電磁場仿真 27
2.4.1 高頻電磁場FEA原理 27
2.4.2 邊界條件和完全匹配層（PML） 28
2.4.3 激勵源 30
2.4.4 高頻參數的計算 31
2.5 用LMATRIX和SENERGY宏命令計算電感、通量和能量 39
2.5.1 微分電感的定義 40
2.5.2 電感計算方法回顧 41
2.5.3 使用的電感計算方法 41
2.5.4 變壓器和電機感應電壓 41
2.5.5 絕對通量計算 42
2.5.6 電感計算 42
2.5.7 絕對能量計算 42
2.6 電容計算 43
2.7 電導計算 44
2.8 耦合效應 45
2.8.1 單元 45
2.8.2 耦合方法 46
第3章 ANSYS基本操作過程 54
3.1 建立模型 54
3.1.1 指定作業名和分析標題 54
3.1.2 選擇分析類型 55
3.1.3 定義單元的類型 56
3.1.4 定義單元實常數 56
3.1.5 定義材料特性 56
3.1.6 創建幾何模型 57
3.2 加載和求解 59
3.2.1 加載 59
3.2.2 求解 60
3.3 查看分析結果 62
3.3.1 將數據結果讀入數據庫 62
3.3.2 在POST1中觀察結果 62
第4章 ANSYS建模方法 67
4.1 坐標系 67
4.1.1 總體和局部坐標系 67
4.1.2 顯示坐標系 68
4.1.3 節點坐標系 68
4.1.4 單元坐標系 68
4.1.5 結果坐標系 68
4.2 工作平面 69
4.2.1 生成一個工作平面 69
4.2.2 增強的工作平面 69
4.3 實體建模 70
4.3.1 用自底向上的方法建模 71
4.3.2 用自頂向下的方法建模 73
4.3.3 用布爾運算雕刻實體模型 74
4.3.4 移動和拷貝實體模型 76
4.3.5 實體模型圖元的縮放 76
4.3.6 質量和慣量的計算 77
4.4 對實體模型進行網格劃分 77
4.4.1 定義單元屬性 77
4.4.2 網格劃分控制 77
4.4.3 實體模型的網格劃分 78
4.4.4 改變網格 80
4.5 修改模型 80
4.6 直接生成 81
4.6.1 定義節點 81
4.6.2 定義單元 81
4.7 選擇和組件 82
4.7.1 選擇實體 83
4.7.2 將幾何體組集成組件與部件 84
4.8 創建幾何顯示 85
4.8.1 創建實體模型顯示 85
4.8.2 改變幾何顯示的說明 85
4.9 創建幾何模型結果顯示 86
4.9.1 創建結果的幾何顯示 86
4.9.2 改變POST1結果顯示規范 87
第5章 ANSYS二維電磁場分析 88
5.1 2-D靜態磁場分析 88
5.1.1 2-D靜態磁場分析的基本步驟 88
5.1.2 例題分析 100
5.2 2-D諧波（AC）磁場分析 156
5.2.1 2-D諧波（AC）磁場分析的基本過程 156
5.2.2 例題分析 163
5.3 2-D瞬態磁場分析 184
5.3.1 2-D瞬態磁場基本過程 184
5.3.2 例題分析 186
第6章 ANSYS三維靜態磁場分析——標量法 197
6.1 標量法三維靜態磁場分析基本過程 197
6.1.1 創建物理環境 197
6.1.2 設置GUI菜單過濾 197
6.1.3 定義材料屬性 197
6.1.4 建立模型 197
6.1.5 施加邊界條件和載荷 199
6.1.6 邊界條件 199
6.1.7 求解 199
6.1.8 后處理 200
6.2 例題分析 200
第7章 ANSYS三維靜態、諧波和瞬態磁場分析——矢量法 215
7.1 節點法（MPV）3-D靜態磁場分析 215
7.2 節點法（MPV）3-D諧波磁場分析 228
7.2.1 建立3-D諧波磁場分析的物理環境 228
7.2.2 加載和求解 232
7.2.3 觀察結果 232
7.3 節點法（MPV）3-D瞬態磁場分析 232
7.3.1 建立3-D瞬態磁場分析的物理環境 232
7.3.2 加載和求解 233
7.3.3 觀察結果 233
7.4 標勢法和矢量法聯合使用 233
7.4.1 建立混合區域的模型 233
7.4.2 施加載荷、求解混合模型 234
7.4.3 觀察結果 234
第8章 ANSYS三維靜態、諧波和瞬態磁場分析——棱邊單元法 248
8.1 3-D靜態磁場分析 248
8.1.1 棱邊法中用到的單元 248
8.1.2 不同物理區域的特性 248
8.1.3 完成一個棱邊法靜態場分析 248
8.1.4 觀察結果 249
8.1.5 例題分析 249
8.2 3D諧波磁場分析 279
8.2.1 定義和設置模型的物理區域 279
8.2.2 速度效應 281
8.2.3 3-D諧波磁場分析的步驟 282
8.2.4 觀察結果 282
8.2.5 例題分析 282
8.3 棱邊法3-D瞬態磁場分析 291
8.3.1 3-D瞬態磁場分析的步驟 291
8.3.2 觀察結果 292
第9章 ANSYS高頻電磁場分析 293
9.1 高頻電磁場的有限元分析 293
9.2 高頻電磁場分析中用到的單元 293
9.3 高頻電磁場諧波分析 294
9.3.1 建立物理環境 294
9.3.2 建立模型、說明區域特性和剖分 294
9.3.3 施加邊界和激勵（載荷） 294
9.3.4 求解高頻諧波分析 300
9.3.5 高頻諧波分析后處理 301
9.4 高頻電磁場模態分析 303
9.5 例題分析 303
第10章 ANSYS電流場分析 339
10.1 穩態電流傳導分析 339
10.1.1 建立模型 339
10.1.2 加載和求解 339
10.1.3 觀察結果 340
10.1.4 多導體系統提取電導 340
10.2 諧波準靜態電場分析 342
10.2.1 建立模型 342
10.2.2 施加載荷和求解 342
10.2.3 觀察結果 343
10.3 瞬態準靜態電場分析 343
10.4 例題分析 344
第11章 ANSYS靜電場分析 374
11.1 h方法靜電場分析 374
11.1.1 h方法靜電場分析所用的單元 374
11.1.2 h方法靜電場分析的步驟 374
11.1.3 多導體系統電容的提取 376
11.1.4 開域邊界的Trefftz方法 378
11.2 p方法靜電場分析 378
11.2.1 p方法的優點 378
11.2.2 使用p方法 378
11.3 例題分析 380
第12章 ANSYS電路分析 407
12.1 使用CIRCU124單元 407
12.2 使用CIRCU125單元 408
12.3 使用電路建模程序 408
12.4 避免電路不合理 408
12.5 靜態（DC）電路分析 409
12.5.1 建立靜態電路分析模型 409
12.5.2 加載和求解 409
12.5.3 觀察結果 409
12.6 諧波（AC）電路分析 409
12.7 瞬態電路分析 410
12.8 例題分析 410
第13章 ANSYS電磁耦合場分析 429
13.1 耦合場分析的定義 429
13.2 耦合場分析的類型 429
13.3 順序耦合場分析 429
13.4 ANSYS多場（TM）求解器 431
13.5 直接耦合場分析 432
13.5.1 熱—電分析 433
13.5.2 壓電分析 433
13.5.3 壓阻分析 433
13.5.4 磁—結構分析 434
13.5.5 電機械分析 434
13.6 耦合電路仿真 434
13.6.1 電磁—電路仿真 434
13.6.2 電機械—電路仿真 438
13.6.3 壓電—電路仿真 439
13.7 例題分析 439
第14章 ANSYS磁宏和遠場單元 477
14.1 磁宏 477
14.1.1 電磁宏 477
14.1.2 使用電磁宏 478
14.2 遠場單元 480
14.2.1 遠場單元 481
14.2.2 使用遠場單元注意的事項 481

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